CN105765152A - 具有盲孔冲洗功能的钻头和使用钻头的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在地层中形成孔的钻头。所述钻头具有柄和全断面齿冠，所述柄和所述全断面齿冠配合以限定接纳水或其他钻液的内部空间。所述全断面齿冠限定多个从所述全断面齿冠的切削面延伸至所述内部空间的孔。所述全断面齿冠完全周向地包围所述钻头的所述内部空间。
Description
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2013年11月20日提交的美国专利申请第14/085,218号的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及用于在地层中形成孔的钻头，并且更具体地讲涉及用于在地层中形成孔的全断面钻头。
背景技术
现有钻头通常具有中心排水沟和一系列提供钻头侧面和中心排水沟之间流体连通的通道(无直接定位于钻头切削面的通道)。需要中心排水沟来允许去除钻头的整个表面上方的切屑。现有的这些钻头不允许水直接流过钻头的切削面。切削面缺水则导致切屑去除率下降，从而导致切削面的磨损增加。此外，缺乏水流还可最小化地在钻头高速旋转运行过程中从切削面去除热。这些熟知的钻头设计还与相对较低的渗透率和减小的接触应力测量值相关联。
因此，在相关技术中，需要向钻头切削面更高效提供高速流体流并去除源自切削面的热量的钻头。在相关技术中，还需要与常规钻头相比提供提高的切屑去除率和渗透率的钻头。
发明内容
本文描述了用于在地层中形成孔的钻头。钻头具有纵向轴线、柄和全断面齿冠。全断面齿冠具有切削面和外表面。全断面齿冠和柄配合以限定围绕纵向轴线的内部空间。内部空间可被配置为在钻头使用过程中接纳水或其他钻液。
在一个方面，全断面齿冠可限定多个从切削面延伸至内部空间的孔。全断面齿冠可完全周向地包围内部空间。在示例性方面，全断面齿冠不具有在全断面齿冠的外表面和内部空间之间径向延伸的排水沟。任选地，全断面齿冠的外表面可限定朝向纵向轴线径向向内延伸的多条通道。还描述了使用钻头在地层中形成孔的系统。
在另一方面，全断面齿冠可限定在全断面齿冠外表面的切削面内延伸的狭槽，所述狭槽被配置为允许所需岩心样本的断裂和喷出。在示例性方面，与内部空间和增压钻液连通的导管可被定位为与所限定的狭槽的一部分连通，使得在钻井过程中所需量的钻液可被传送至狭槽。
本发明的其他优点将在下面部分地阐明，部分地从该描述中将显而易见，或可以通过本发明的实践而获知。通过在所附权利要求书中特别指出的要素和组合，可实现和获得本发明的优点。应当理解，上述一般描述和以下详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对如受权利要求书所保护的本发明进行限制。
附图说明
本发明的优选实施例的这些和其他特征在参照附图的详细描述中将变得更加显而易见，其中：
图1是如本文所公开的示例性钻头的顶部透视图。
图2A是如本文所公开的示例性钻头的第二实施例的顶部透视图。图2B是图2A的钻头的底部透视图。
图3是如本文所公开的图2A的钻头的俯视图。
图4是如本文所公开的沿线4-4截取的图3的钻头的剖视图。
图5是如本文所公开的示例性钻头的第二实施例的顶部透视图。
图6是如本文所公开的具有凸形切削面的示例性钻头的透视图。
图7是如本文所公开的具有延伸至狭槽内的中心凸起的示例性钻头的顶部透视图。
图8是如本文所公开的示例性钻头的第三实施例的顶部透视图。
图9是如本文所公开的示例性钻头的第四实施例的顶部部分透明的透视图。如图所示，多个耐磨构件部分地嵌入至限定钻头狭槽的底面和侧面的部分。嵌入至底面和侧面的耐磨构件的部分以虚线的方式示出，而从底面和侧面延伸的多个耐磨构件的部分以实线的方式示出。
图10是具有如本文公开的钻头的钻孔系统的示意图。
具体实施方式
通过参照以下详细说明、实例、附图、和权利要求及其以上和以下的说明可更加容易地理解本发明。然而，在公开并描述本发明装置、系统和/或方法之前，应当理解，除非另有指明，本发明并不局限于所公开的具体装置、系统和/或方法，因为此类具体装置、系统和/或方法理所当然可能会发生变化。也应当了解本文所用的术语仅是为了描述特定方面，而不旨在进行限制。
本发明的以下描述被提供为以当前熟知的最佳实施例实现本发明的教导。为此，相关领域的技术人员将认识和理解，可在本文描述的本发明的各个方面作出许多更改，同时仍能获得本发明的有益效果。还显而易见的是，可以通过选择本发明的一些特征而不利用其他特征来获得本发明的一些所需的有益效果。因此，本领域的技术人员将认识到，对本发明做出的许多修改和调整是可能的，并且在某些情况下甚至是期望的，并构成本发明的一部分。因此，以下描述被提供为本发明的原理的示例性说明而并非限制本发明。
如全文所用，除非上下文清楚地另外指明，单数形式的“一个”、“一种”以及“所述”包括复数含义。因此，例如，提及“孔”可包括两个或更多个此类的孔，除非上下文另有指示。
范围在本文中可被表达为始于“约”某一特定值和/或止于“约”另一特定值。当表达此类范围时，另一方面包括从一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当采用先行词“约”将数值表达为近似值时，应当理解，该具体值也构成了另一个方面。还应理解，每个范围的端值相对于另一个端值，还是不取决于另一个端值来说，都是有意义的。
如本文所用，术语“任选的”或“任选地”是指可能发生或可能不存在随后描述的事件或情况，并且所述描述包括其中发生所述事件或情况的实例和其中不发生所述事件或情况的实例。
如本文所用的单词“或”意指特定列表中的任意一个成员，并且还包括该列表成员的任意组合。
参考图1，本文所描述的是用于在地层中形成孔的钻头10。钻头10具有纵向轴线LA。在示例性的方面，钻头10可包括柄20和全断面齿冠30。可以设想的是，本文所公开的钻头相对于常规的钻头可提供改进的渗透率。另外可以设想的是，如相对于常规的钻头所测量，本文所公开的钻头可提供钻头切削面的增强的碎屑/切屑去除和增强的冷却功能。还可以设想的是，本文所公开的钻头相对于常规的钻头可提供改进的耐磨性。
在示例性的方面，本文所公开的钻头可以为全断面钻头。在这些方面，可以设想的是，本文所公开的全断面钻头可以是插头和/或无岩心钻头。在又一示例性方面，可以设想的是，本文所公开的钻头可以为凹面钻头。在又一示例性方面，可以设想的是，本文所公开的钻头可以为非凹面钻头。
在一个方面，全断面齿冠30可具有邻接外部周向表面34的切削面32。可以设想的是，全断面齿冠30和柄20可配合以限定围绕纵向轴线LA的内部空间25(诸如图2B所示)。另外可以设想的是，内部空间25可被配置成在使用钻头10的过程中接纳水或其他钻液。在一个方面，水或其他钻液可在所需的压力下供给内部空间25。
在另一个方面，全断面齿冠30可限定多个从切削面32延伸到内部空间25的孔36。在这个方面，可以设想的是，多个孔36可被配置成大致从内部空间25直接将水(或其他钻液)引导到切削面32。另外可以设想的是，直接向切削面32供给加压水(或其他钻液)可增加在整个切削面上的流速，从而允许更快速去除切屑并且显著地增加切削面的对流冷却。另外可以设想的是，多个孔36可相对于常规的钻头减少切削面32的接触面积，从而提高了钻头10的渗透率。还可以设想的是，多个孔36可相对于切削面32允许水(或其他钻液)的异常分布，从而提高了钻头10的耐磨性。还可以设想的是，多个孔36可提供水(或其他钻液)分布的灵活性，使得不需要(并且可从钻头拆除)常规钻头的中心端口。任选地，在一些方面，可以设想的是，切削面32可具有凸形的轮廓(参见图6)。在其他方面，可以设想的是，切削面32可任选地具有凹形轮廓。
在示例性的方面，多个孔36可围绕切削面32任选地大致等距分布。任选地，在一些方面，多个孔36可随机地与钻头10的中心点间隔开。任选地，多个孔可任选地与钻头10的中心点大致均匀地间隔开。在这些方面，可以设想的是，可提供至少两个同心行孔，其中在每个相应的行中的孔与钻头10的中心点大致均匀地间隔开。
更一般地讲，可以设想的是，多个孔36可以任何选择的配置设置。另外可以设想的是，可分布多个孔36以便优化用于特定应用的钻头10的磨损特性。
可以设想的是，多个孔中的每个孔36可以所选择的形状设置。在示例性的方面，多个孔36可具有大致圆柱形形状(大致为圆形的横截面轮廓)。然而，可以设想的是，多个孔36可具有任何形状，包括，例如但不限于，大致圆锥形(锥形)形状(具有大致圆形的横截面轮廓)、具有大致矩形横截面轮廓的形状、具有大致正方形横截面轮廓的形状、S形状等。
在又一方面，全断面齿冠30可完全周向地包围内部空间25。在示例性方面，全断面齿冠30不包括径向地延伸在全断面齿冠的外表面34和内部空间25之间的排水沟。
在另一方面，全断面齿冠30的外表面可限定多个朝向纵向轴线LA径向地向内延伸的通道38。在示例性的方面，可以设想的是，全断面齿冠30可具有大于柄20的外径的外径，使得全断面齿冠相对于柄径向地向外突出。因此，在这些方面，另外可以设想的是，可暴露多条通道38，并与柄的接合面22连通。另外可以设想的是，接合面22可任选地包括至少一个孔24，所述孔与全断面齿冠30的多条通道38中的至少一条通道连通地设置。还可以设想的是，柄20的接合面22的至少一个孔24可与内部空间25连通。
任选地，在示例性的方面，多条通道38可围绕全断面齿冠30的外表面34周向大致等距间隔。在一个方面，可以设想的是，多条通道38可任选地为大致相等的尺寸。
任选地，在其他示例性的方面，可以设想的是，多个孔36中的至少一对孔可沿着通过孔中心点和所选择的通道的取向线与全断面齿冠30的所选择的通道38大致对准。在这些方面，可以设想的是，在钻孔操作过程中，随着钻头10旋转，离开一对孔的水(或其他钻液)可沿着取向线大致移动并且通过所选择的通道而被排空。
任选地，在一些示例性的方面，多条通道38可包括多条第一通道38a的和多条第二通道38b，其中多条第一通道中的每条通道具有第一尺寸，且多条第二通道具有第二尺寸。如本文使用，通道38的“尺寸”通常是指通道在一个平面中所测量的二维区域，该平面大致垂直于钻头10的纵向轴线。在这些方面，可以设想的是，第二尺寸可大于第一尺寸。在另外的示例性的方面，多条第一通道38a中的至少一条通道可任选地周向地定位在多条第二通道38b的连续通道之间。在进一步示例性的方面，多条第一通道38a中的每条通道可具有第一径向长度，并且多条第二通道38b中的每条通道可具有第二径向长度。在这些方面，可以设想的是，第二径向长度可任选地比第一径向长度长。
在另外任选的方面，可以设想的是，多条通道38还可包括第三多条通道38c，其中第三多条通道中的每条通道具有不同于(多条第一通道的)第一尺寸和(多条第二通道的)第二尺寸的第三尺寸。如图1所示，可以设想的是，第三尺寸可小于第一尺寸和第二尺寸。然而，可以设想的是，在示例性的方面，第三尺寸也可大于第一尺寸和第二尺寸。在另外的示例性的方面，可以设想的是，第三多条通道38c中的至少一条通道可任选地周向地定位在多条第一通道38a中的相应通道和多条第二通道38b中的相应通道之间。在进一步示例性的方面，第三多条通道38c中的每条通道可具有第三径向长度。在这些方面，可以设想的是，第三径向长度可任选地小于(多条第一通道的)第一径向长度和(多条第二通道的)第二径向长度。然而，在这些方面，可以设想的是，第三径向长度可任选地大于第一径向长度和第二径向长度中的至少一者。
更一般地讲，可以设想的是，多条通道38可包括具有诸如任何数量的不同尺寸的通道，例如但不限于，至少四个不同尺寸的通道、至少五个不同尺寸的通道、至少六个不同尺寸的通道、至少七个不同尺寸的通道和至少八个不同尺寸的通道。在示例性的方面，可以设想的是，多条通道38中的每条通道可以具有不同于多条通道中的至少一个附加通道的尺寸的尺寸。
在另外的方面，多条通道38中的每条通道可具有宽度。任选地，在这些方面，可以设想的是，多条通道38中的每条通道可具有可变的宽度。例如，每条通道38的宽度可任选地从全断面齿冠的外表面朝向纵向轴线径向向内移动地减小。因此，可以设想的是，多条通道中的每条通道38可朝向纵向轴线LA移动时向内逐渐变细。
任选地，如图1所示，可以设想的是，柄20(对应于纵向轴线LA和柄的外表面之间的径向距离)的半径可围绕柄的周长而变化。在示例性的方面，可以设想的是，柄20的外表面可在每个相应的通道38内从全断面齿冠30的外表面34凹进所选择的距离。在这些方面，可以设想的是，由柄20的外表面所选择的从全断面齿冠30的外表面34凹进的距离可根据通道而有所不同。例如，如图1所示，可以设想的是，由柄20的外表面所选择的从全断面齿冠30的外表面34凹进的距离对于较小的通道(38c)可通常大于其对于较大的通道(38a、38b)。然而，可以设想的是，所选择的距离(以及柄20的半径)中的任何变化都可以采用。
任选地，在进一步示例性方面，可以设想的是，柄20的内表面可限定至少一个槽(或大致平行于钻头10的纵向轴线LA延伸。)在这些方面，至少一个槽中的每个槽可任选地对应于从柄20的内表面朝向柄的外表面径向地延伸的圆形凹槽。可以设想的是，至少一个槽可任选地定位成与全断面齿冠30的孔36和柄20的孔24中的至少一个流体连通。
现在参照图2A-图7，示出了示例性的钻头100，钻头100被配置成从钻头的中心开槽和破裂微芯并将破裂微芯引导和/或冲洗到钻头的外径。互补地，该示例性配置允许减少钻头的内径的磨损，这通常是常规的全断面钻头的磨损模式。此外，示例性全断面钻头与常规的全断面钻头相比，通过减少所需力输出而增加渗透速率，而常规钻头由于固有的设计限制，因非常低的表面速度，在全断面钻头的中心处具有受限的切削能力。如将理解，可以设想的是，钻头100相对于钻头10还可包括上述元件。类似地，可以设想的是，相对于钻头100，钻头10可包括一个或多个下述元件。
本领域中的技术人员将理解，常规的全断面钻头由于低切削速度和较差的碎屑冲洗，通常从钻头的上部接触面的中心磨损。随着被钻岩石硬度的增加，这种设计失效模式加剧。在全断面钻头的中心的磨损周期进一步降低了在中心的冲洗，其继而引起更多的磨损，当与取芯钻头相比时，极大地限制了全断面钻头的潜在寿命。在过去，已经尝试的钻头设计通过增加分布在钻头上的一种或多种中心端口和/或排水沟来克服设计失效模式，或通过增强中心端口排水沟以减少在钻头中心的磨损率。
在一个方面，钻头100具有纵向轴线。在示例性的方面，钻头100可包括柄120和沿着纵向轴向延伸的全断面齿冠130。在一个方面，全断面齿冠具有齿冠外径，且柄具有小于全断面齿冠的外径的柄外径。此外，可以设想的是，柄可进一步限定从柄外径远侧地延伸到齿冠外径的锥形表面122。在各个方面，可以设想的是，锥形表面122可相对于纵向轴线以钝角ρ成角度。例如，角度ρ可介于约90.5°和约150°之间，且优选地介于约120°和约140°之间。
在另一方面，全断面齿冠130可限定狭槽140，该狭槽140纵向地延伸于全断面齿冠的切削面132和周向外表面134的一部分。可以设想的是，该狭槽可被配置成允许所需岩芯样本的破裂和喷出。在示例性的方面，导管150可被限定在钻头中，该导管与内部空间25连通，并且加压钻液可以定位成与限定的狭槽的一部分连通，使得所需的钻液量在钻孔操作过程中可被传递到狭槽中。任选地，在一些方面并如图6所示，可以设想的是，切削面132可具有凸形的轮廓。在其他方面，可以设想的是，切削面132可任选地具有凹形轮廓。
在一个示例性方面中，狭槽140具有底部表面142和一对两个相对的侧壁144，该侧壁144相对于彼此以期望的角度β定位。在一个示例性方面中，狭槽被成形为使得两个侧壁大致互相平行而定位，使得角度β大约为0°。任选地，该狭槽可具有楔形形状，使得角度β可示例性地介于约0℃和约140℃之间，优选地介于约30℃与约110℃之间，优选地介于约55℃和约95℃之间，并且最优选地低于约90℃。
在另一方面，狭槽的底部表面142可相对于邻接的侧壁144以角度μ而定位。例如，角度μ可介于约60°和约120°之间，优选地介于约85°和约110°之间，且最优选地约90°。在又一个方面，狭槽的底部表面142可相对于钻头的纵向轴线以期望的角度α成角度。在一个示例性的方面中，优选的是狭槽的底部表面142在近侧成角度以支持近侧远离钻头的切削面132的破碎材料的疏散。例如，角度α可介于约90°和约140°之间，且优选地介于约90°和约130°之间，以及为约150°，且最优选地大于或等于约90°。
在可选的设想方面，狭槽的底部表面142和侧壁144中的至少一部分可为大致平坦的；狭槽的底部表面142和侧壁144中的至少一部分可以为大致平坦的；狭槽的底部平面142和侧壁144中的一者的至少一部分可以是弯曲的(狭槽的底部表面142的远侧或近侧或针对侧壁144向外)；并且狭槽的底部平面142和侧壁144中至少一部分可以是弯曲的(狭槽的底部表面的远侧或近侧或针对侧壁向外)。
狭槽140还限定超越钻头的切削面的中心而定位的顶点148。如本领域中的技术人员将理解，狭槽因而被配置使得钻头的纵向轴线延伸穿过狭槽的底部表面并进入到狭槽的内部空隙区域。在另一方面，偏心区域相对于切削面的限定中心C通过顶点的位置被限定在钻头的切削面上，例如，通过纵向轴线平分切削面的点。如在图4中示例性地示出，偏心区域是处于切削面上区域，该偏心区域从侧壁144的基部和底部表面142的接合处延伸到两条假想线处，所述两条假想线延伸穿过切削面的中心C，并且平行于相应的侧壁144。例如，偏心区域(作为切削面的面积的百分比)可以介于约5％和约45％之间，且优选地介于约10％和约40％之间，以及约15％和约30％之间，并且最优选地约20％。
在示例性的方面，可以设想的是，导管150的远端152形成在狭槽的底部表面的至少一部分中。此外，可以设想的是，远端152可以形成在狭槽的一个侧壁144的一部分中。在另一个示例性的实施例中，导管150的远端152可被定位成使得导管150的一部分被定位在狭槽的底部表面中的一部分和相邻侧壁中的一部分的接合点处。任选地，可以设想的是，导管的远端152的至少一部分可被限定于所限定的偏心区域的至少一部分内。在另一个方面，大部分导管的远端152可被限定在所限定的偏心区域的一部分内。
在其他任选的方面，并且如图7所示，可以设想的是，全断面齿冠130可包括横跨切削面的中心C延伸到狭槽140内的中心凸起133。在这些方面，可以设想的是，凸起133可与侧壁144配合以限定狭槽140。另外可以预想的是，齿冠130的中心凸起133的顶部部分可包括被配置成磨掉(由于侵蚀和磨损中的至少一种)的基体材料，使得随着时间的推移，中心凸起133被磨损减薄后，狭槽140的轮廓对应于以上所公开的示例性轮廓(由表面142和侧壁144所限定，其包括如本文进一步公开的金刚石渗透材料)。在示例性的方面，凸起133可具有弓形轮廓，从而有效地消除了狭槽140的顶点148(直到凸起133被磨掉为止)。
在示例性的方面，当钻头100包括狭槽140和多个孔36(如相对于钻头10而公开)两者时，可以设想的是，该狭槽可允许芯大致自由地从切削面流到齿冠的外径。另外可以设想的是非均匀齿冠可产生非平衡运动，从而允许更容易地破碎芯。
现在参照图8，示出了示例性的钻头200，钻头200被配置成从钻头的中心开槽并破裂微芯并将破裂微芯引导和/或冲洗到钻头的外径。互补地，该示例性配置允许减少钻头的内径的磨损，这通常是常规的全断面钻头的磨损模式。此外，由于常规钻头固有的设计限制，示例性全断面钻头与常规的全断面钻头相比，通过减少所需力输出而增加渗透速率，常规的全断面钻头由于非常低的表面速度，在全断面钻头的中心处具有受限的切削能力。如将理解，可以设想的是，钻头200相对于钻头10和100还可包括上述元件。类似地，可以设想的是，相对于钻头200，钻头10和100可包括一个或多个下述元件。
在一个方面，钻头200可具有全断面齿冠230并可限定狭槽240，该狭槽240纵向地延伸于全断面齿冠的切削面232和周向外表面234的一部分。可以设想的是，该狭槽可被配置成允许所需岩芯样本的破裂和喷出。在示例性的方面，导管250可被限定在钻头的狭槽140的底部表面142，并且与内部空间25连通，以及加压钻液可以与限定的狭槽的一部分连通的方式定位，使得所需的钻液量在钻孔操作过程中可被传递到狭槽中。如图8所示，可以设想的是，钻头200相对于钻头10、100可包括如以上所公开的孔36和通道38。
在示例性的方面，如图8所示，钻头200可具有径向地定位在第一切削部分260和第二切削部分280之间的轴向凹陷部分270。在这些方面，可以设想的是，第一和第二切削部分可各自限定切削面232的一部分，其中凹陷部分270相对于切削面而凹进。因此，可以设想的是，切削面232可在切削面的最高磨损区域呈阶梯状。
任选地，可以设想的是，第一切削部分260的内壁265可限定至少一条通道265，如图8所示。可以设想的是，每条通道265可任选地定位成与钻头200的相应孔36流体连通。
在另外的方面，可以设想的是，第二切削部分280可以相对于切削面232成大致中心地定位，使得第二切削部分与狭槽的侧壁配合以限定狭槽的顶点(其中不存在中心凸起)或，作为另外一种选择，第二切削部分与狭槽的侧壁配合以限定中心凸起(当存在时)。在另一个方面，可以设想的是，第二切削部分280可任选地限定至少一条通道285，如图8所示。在这些方面，另外可以设想的是，每条通道285可任选地定位成与钻头200的相应孔36流体连通。
在示例性的方面，本文所公开的钻头10、100、200可以是镶金刚石钻头，其中金刚石镶嵌在基体中。在这些方面，可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括多个所选择的材料，其中每种材料按钻头的所选重量百分比设置。可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的碳(不包括金刚石)，例如但不限于，从约0.00％至约7.00％(以金刚石的重量计)范围内的量。在示例性的方面，钻头10、100、200的碳可被设置为碳粉和碳纤维中的至少一种。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的铬，例如但不限于，从约0.00％至约1.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的钴，例如但不限于，从约0.00％至约1.00％(以钻头的重量计)范围内的量。任选地，另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的铜，例如但不限于，从约0.00％至约30.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的铁，例如但不限于，从约50.00％至约90.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的锰，例如但不限于，从约0.00％至约8.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的钼，例如但不限于，从约0.00％至约0.20％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的镍，例如但不限于，从约0.00％至约6.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的硅，例如但不限于，从约0.00％至约0.50％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的碳化硅，例如但不限于，从约0.00％至约2.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的银，例如但不限于，从约0.00％至约12.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的锡，例如但不限于，从约0.00％至约6.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的钨，例如但不限于，从约0.00％至约41.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的碳化钨，例如但不限于，从约0.00％至约35.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，每个钻头10、100、200可包括诸如以任何所需量的锌，例如但不限于，从约0.00％至约24.00％(以钻头的重量计)范围内的量。另外可以设想的是，本文所公开的全断面钻头的基体可被配置成在钻头内金刚石后面形成支撑结构，从而防止在操作过程中抛光镶嵌的金刚石。
在示例性的方面，并且参照图9，本文所公开的钻头可进一步任选地包括多个嵌入到钻头的底部表面142和/或侧面144中的至少一者的部分的耐磨构件160。可以设想的是，任选地但不限于，由于在使用中钻头的旋转，多个耐磨构件160可邻近用作冲击壁(例如，后壁)的狭槽的侧壁嵌入到底部表面142的部分中。在这个方面，可以设想的是，多个耐磨构件160可邻近底部表面和相应的侧壁的接合点而嵌入在底部表面142的区域中。在另一方面，在底部表面中的多个耐磨构件160可以以期望的、预定的阵列而定位。在一个例子中，多个耐磨构件160的阵列可包括一系列耐磨构件的行。在这个方面，可以设想的是，每行可包含多个沿公共轴线而大致定位的多个耐磨构件160。任选地，公共轴线可大致平行于相邻的侧壁。因此，可以设想的是，多个耐磨构件160的阵列可包括一系列的耐磨构件的行，其中每行大致彼此平行，并与相邻的侧壁平行。
在另一方面，任选地但不限于，由于在使用中钻头的旋转，多个耐磨构件160可嵌入到用作冲击壁(例如，后壁)的侧壁144的部分中。在这个方面，可以设想的是，多个耐磨构件160可邻近底部表面和侧壁的接合点而嵌入在侧壁144的区域中。在另一方面，在底部表面中的多个耐磨构件160可以以期望的、预定的阵列而定位。在一个例子中，多个耐磨构件160的阵列可包括一系列耐磨构件的行。在这个方面，可以设想的是，每行可包含多个沿公共轴线而大致定位的多个耐磨构件160。任选地，公共轴线可大致平行于相邻的底部表面。因此，可以设想的是，多个耐磨构件160的阵列可包括一系列的耐磨构件的行，其中每行大致彼此平行，并与相邻的底部表面平行。在另一方面，定位在侧壁上的多个耐磨构件160的阵列可与钻头的切削面间隔开所需的距离。
在另一个方面，多个耐磨构件160的至少一部分可从各自所嵌入的底部表面142和/或侧壁144昂然地延伸。在一个方面，另外可以设想的是，该阵列可包括附加行的耐磨构件，该附加行的耐磨构件以与暴露行的耐磨构件成基础关系而被封装在钻头内，该暴露行的耐磨构件被定位在钻头的底部表面142和/或侧面144中的一者中。通过这种方式，附加的耐磨构件可在操作过程中根据钻头的正常磨损而被暴露。
在一个方面，每个耐磨构件160可以是伸长的构件，例如但不限于，该伸长的构件可具有包含纵向轴线的大致矩形形状。如图9所示，可以设想的是，伸长的构件160可被定位成使得每个伸长的构件的纵向轴线大致平行于邻近的底部表面和/或侧壁。在没有限制的情况下，可以设想的是，每个耐磨构件160可包括碳化钨、TSD(热稳定的金刚石)、PDC(多晶金刚石复合材料)、CBN(立方氮化硼)、单晶氧化铝、碳化硅、耐磨陶瓷材料、合成金刚石材料、天然金刚石和多晶金刚石材料中的至少一种。
在示例性的方面，并且参照图10，本文所公开的钻头可被提供作为钻孔系统500的一部分。在这些方面，可以设想的是，钻孔系统500可以包括钻头510、桅杆520、钻机530和钻柱550，该钻柱550被配置成被固定到钻机，并且通过钻机旋转，如在本技术领域中为常规已知的。另外可以设想的是，钻头560可以可操作地联接到钻柱550的一端。例如，可以设想的是，如本文所公开的钻头10、100、200可联接到钻柱550。在操作中，通过钻机530旋转并推压钻柱550，可以设想的是，钻头560(对应于如本文所公开的钻头10、100、200)可在地层570中磨去材料。
在使用中，可以设想的是，本文所公开的全断面钻头在比已知的钻头所需的更低的水平推力下可实现期望的渗透水平。由于本文所公开的全断面钻头的增加的强度和冲洗，可以设想的是，与已知的钻头相比，所公开的全断面钻头可显示更少的磨损并且具有增加的功能性产品寿命，其中本文所公开的全断面钻头具有的功能性产品寿命大于已知的钻头的功能性产品寿命多达5倍。另外可以设想的是，所公开的全断面钻头的增加的强度和冲洗可允许在制造过程中使用金刚石镶嵌的更大深度。还可以设想的是，所公开的全断面钻头可以在切削面产生较高的流体速度，从而提供了更快的岩石移除和传热递并且限制钻头内的金刚石的磨损，其通常由于岩石的高温和摩擦而磨损。
实验实例
在一个实验实例中，使用如图2A-图4所示的示例性钻头，移除了0.250英寸的直径芯。在另一个实验实例中，示例性钻头在钻进12英寸后示出了更小的磨损，而已知的钻头钻进12英寸后则基本上磨损。
在另外的实验实例中，在如图3-5所示的示例性全断面钻头和已知的全断面钻头之间进行计算流体动力学(CFD)比较。如本文所公开的示例性钻头被发现产生更高的水压和更高的流体速度。
示例性方面
在示例性的方面，提供了在地层中用于形成孔的全断面钻头，该钻头具有纵向轴线并包括：柄；具有切削面和外表面的全断面齿冠，该全断面齿冠和柄配合以限定围绕纵向轴线的内部空间，其中该全断面齿冠限定从切削面延伸到内部空间的多个孔，并且其中全断面齿冠完全周向地包围内部空间。
在一个示例性的方面中，全断面齿冠不包括径向地延伸在全断面齿冠的外表面和内部空间之间的排水沟。
在另一个示例性的方面，全断面齿冠的外表面限定朝向纵向轴线径向地向内延伸的多条通道。
在另一个示例性的方面，多条通道围绕全断面齿冠的外表面周向大致等距地间隔开。
在另一个示例性的方面，多条通道中的每条通道具有宽度，并且每条通道的宽度从全断面齿冠的外表面朝向纵向轴线径向向内移动地减小。
在另一个示例性的方面，多条通道为大致相等的尺寸。
在另一个示例性的方面，多条通道包括多条第一通道和多条第二通道，该多条第一通道具有第一尺寸，该多条第二通道具有第二尺寸，且第二尺寸大于第一尺寸。
在另一个示例性的方面，多条第一通道中的至少一条第一通道周向地定位在多条第二通道的连续通道之间。
在另一个示例性的方面，多条第一通道中的每条第一通道具有第一径向长度，多条第二通道中的每条第二通道具有第二径向长度，且第二径向长度大于第一径向长度。
在另一个示例性的方面，多个孔围绕切削面大致等距地分布。
在另一个示例性的方面，提供了钻孔系统，该钻孔系统包括：钻机；被配置成固定到钻机并且通过钻机旋转的钻柱；和具有纵向轴线并且被配置成固定到钻柱的全断面钻头，该钻头包括：柄；具有切削面和外表面的全断面齿冠，该全断面齿冠和柄配合以限定围绕纵向轴线的内部空间，其中该全断面齿冠限定从切削面延伸到内部空间的多个孔，并且其中钻头的全断面齿冠完全周向地包围钻头的内部空间。
在一个示例性的方面中，钻头的全断面齿冠不包括径向地延伸在全断面齿冠的外表面和内部空间之间的排水沟。
在另一个示例性的方面，全断面齿冠的外表面限定朝向纵向轴线径向地向内延伸的多条通道。
在另一个示例性的方面，钻头的多条通道围绕全断面齿冠的外表面周向大致等距地间隔开。
在另一个示例性的方面，钻头的多条通道中的每条通道具有宽度，并且每条通道的宽度从全断面齿冠的外表面朝向纵向轴线径向向内移动地减小。
在另一个示例性的方面，钻头的多条通道为大致相等的尺寸。
在另一个示例性的方面，钻头的多条通道包括多条第一通道和多条第二通道，该多条第一通道具有第一尺寸，该多条第二通道具有第二尺寸，其中第二尺寸大于第一尺寸。
在另一个示例性的方面，钻头的多条第一通道中的至少一条第一通道周向地定位在多条第二通道的连续通道之间。
在另一个示例性的方面，钻头的多条第一通道中的每条第一通道具有第一径向长度，钻头的多条第二通道中的每条第二通道具有第二径向长度，且第二径向长度大于第一径向长度。
在另一个示例性的方面，钻头的多个孔围绕切削面大致相等地分布。
虽然本发明的数个实施例已在前文的说明书中所公开，但本领域的技术人员应当理解，将想到本发明所属的许多修改和其他实施例，其具有在前述描述和相关附图中呈现的教导的有益效果。因此，应当理解，本发明不限于上文所公开的具体实施例，并且许多修改形式和其他实施例旨在涵盖于所附权利要求书的范围内。此外，虽然本文采用了特定的术语，并且以下的权利要求书也采用了特定的术语，它们仅仅用于一般性和描述性的意义，而不是为了限制所述发明的目的，也不是为了限制以下的权利要求的目的。
Claims (20)
1.一种用于在地层中形成孔的全断面钻头，所述钻头具有纵向轴线并包括：
柄；
具有切削面和外表面的全断面齿冠，所述全断面齿冠和所述柄配合以限定围绕所述纵向轴线的内部空间，
其中所述全断面齿冠限定从所述切削面延伸至所述内部空间的多个孔，并且
其中所述全断面齿冠完全周向地包围所述内部空间。
2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述全断面齿冠不包括在所述全断面齿冠的所述外表面和所述内部空间之间径向延伸的排水沟。
3.根据权利要求1所述的钻头，其中所述全断面齿冠的所述外表面可限定朝向所述纵向轴线径向向内延伸的多条通道。
4.根据权利要求3所述的钻头，其中所述多条通道围绕所述全断面齿冠的所述外表面周向大致等距地间隔开。
5.根据权利要求3所述的钻头，其中所述多条通道中的每条通道具有宽度，并且其中每条通道的所述宽度从所述全断面齿冠的所述外表面朝向所述纵向轴线径向向内移动地减小。
6.根据权利要求3所述的钻头，其中所述多条通道为大致相等的尺寸。
7.根据权利要求3所述的钻头，其中所述多条通道包括具有第一尺寸的多条第一通道和具有第二尺寸的多条第二通道，其中所述第二尺寸大于所述第一尺寸。
8.根据权利要求7所述的钻头，其中所述多条第一通道中的至少一条第一通道周向地定位在所述多条第二通道的连续通道之间。
9.根据权利要求8所述的钻头，其中所述多条第一通道中的每条第一通道具有第一径向长度，其中所述多条第二通道中的每条第二通道具有第二径向长度，并且其中所述第二径向长度大于所述第一径向长度。
10.根据权利要求3所述的钻头，其中所述多个孔围绕所述切削面大致等距地分布。
11.一种钻孔系统，包括：
钻机；
钻柱，被配置成固定到所述钻机并且通过所述钻机旋转；以及
全断面钻头，具有纵向轴线和被配置为固定至所述钻柱，所述钻头包括：
柄；
具有切削面和外表面的全断面齿冠，所述全断面齿冠和所述柄配合以限定围绕所述纵向轴线的内部空间，
其中所述全断面齿冠限定从所述切削面延伸至所述内部空间的多个孔，并且
其中所述钻头的所述全断面齿冠完全周向地包围所述钻头的所述内部空间。
12.根据权利要求11所述的钻孔系统，其中所述钻头的所述全断面齿冠不包括在所述全断面齿冠的所述外表面和所述内部空间之间径向延伸的排水沟。
13.根据权利要求11所述的钻孔系统，其中所述全断面齿冠的所述外表面可限定朝向所述纵向轴线径向向内延伸的多条通道。
14.根据权利要求13所述的钻孔系统，其中所述钻头的所述多条通道围绕所述全断面齿冠的所述外表面周向大致等距地间隔开。
15.根据权利要求13所述的钻孔系统，其中所述钻头的所述多条通道中的每条通道具有宽度，并且其中每条通道的所述宽度从所述全断面齿冠的所述外表面朝向所述纵向轴线径向向内移动地减小。
16.根据权利要求13所述的钻孔系统，其中所述钻头的所述多条通道为大致相等的尺寸。
17.根据权利要求13所述的钻孔系统，其中所述钻头的所述多条通道中的至少一条通道的尺寸不同于所述多条通道中的至少一条其他通道的尺寸。
18.根据权利要求13所述的钻孔系统，其中所述钻头的所述多条通道包括具有第一尺寸的多条第一通道和具有第二尺寸的多条第二通道，其中所述第二尺寸大于所述第一尺寸，并且其中所述钻头的所述多条第一通道中的至少一条第一通道周向定位在所述多条第二通道的连续通道之间。
19.根据权利要求18所述的钻孔系统，其中所述钻头的所述多条第一通道中的每条第一通道具有第一径向长度，其中所述钻头的所述多条第二通道中的每条第二通道具有第二径向长度，并且其中所述第二径向长度大于所述第一径向长度。
20.根据权利要求13所述的钻孔系统，其中所述钻头的所述多个孔选择性地围绕所述切削面进行图案化。
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